CN112901109B - 基于rfid控制的直线电机振动固井装置及固井方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于油气井工程技术领域的基于RFID控制的直线电机振动固井装置及固井方法。该装置包括上接头、信号发生球、密封圈、控制组件、耐高温电池、电池安装套管、外套管、振动发生组件和下接头。将RFID控制的直线电机振动固井装置下入到水平井内预设位置，在地面井口向套管柱内部投入信号发生球，激活控制组件，控制组件控制高温直线电机工作，使得振动发生组件工作产生振动，加速度传感器检测振动产生的加速度，加速度电路板测试该振动固井装置的振动幅值，通过算法分析，扫频电路板在扫频范围内寻找最佳振动频率，电机控制电路板控制耐高温直线电机在最佳振动频率点持续工作。

Description

基于RFID控制的直线电机振动固井装置及固井方法
技术领域
本发明涉及油气井工程技术领域，尤其涉及基于RFID控制的直线电机振动固井装置及固井方法。
背景技术
在石油开采过程中，固井作业下入套管后需要注入水泥浆，水泥浆的环面胶结强度和密封质量直接影响着固井质量，为保证固井质量，防止固井后油、气、水混窜，在固井作业过程中要采用振动固井装置来提高水泥浆的致密性和均匀性，保证界面胶结强度。目前国内外常用的振动固井装置有声频式振动固井、环空脉冲式振动固井、机械式振动固井和水力脉冲式振动固井等，其中水力脉冲式振动固井装置在石油开采中的应用最为广泛，但该振动固井装置只能产生轴向振动，且振幅不可控制，其余几种振动固井工具在使用过程中也存在诸多缺陷，随着振动固井技术的发展，对于振动参数精确度和振动波效果的要求不断提高，上述几种振动装置已经难以满足目前的振动固井要求。因此，迫切需要一种能够在水泥浆在候凝阶段时提供最佳频率振动的振动固井装置，这种振动固井装置可以解决水泥浆在水平井流动性差和水泥浆不均匀的问题，同时可以获得更精确的振动参数和更好的振动效果。
发明内容
本发明的目的是提出基于RFID控制的直线电机振动固井装置及固井方法，其特征在于，包括上接头、信号发生球、密封圈、控制组件、耐高温电池、电池安装套管、外套管、振动发生组件和下接头；
上接头与外套管通过螺纹连接，且通过密封圈密封；控制组件的上端与上接头的下底面接触，且与电池安装套管通过螺纹连接；耐高温电池放置于电池安装套管的内部，且耐高温电池的上端与控制组件的下端面接触，耐高温电池的下端与振动发生组件的上端面接触；电池安装套管的上端与控制组件通过螺纹连接，电池安装套管的下端与振动发生组件通过螺纹连接；振动发生组件与外套管通过螺钉固定连接，且振动发生组件的下端与外套管轴肩接触；下接头与外套管通过螺纹连接，且通过密封圈密封。
信号发生球由环氧树脂基体、微型电路板、信号发生天线和耐高温纽扣电池组成；环氧树脂基体把微型电路板、信号发生天线和耐高温纽扣电池包裹成球体；微型电路板用于控制信号发生天线的工作状态，信号发生天线用于持续发射微波信号，耐高温纽扣电池为微型电路板提供电能。
控制组件由信号接收天线、压紧螺母、垫圈、Y型密封圈、天线固定板、阅读器、密封圈、功率电阻、扫频电路板、I#电路固定板、垫块、固定板、加速度传感器、低通滤波电阻、电机控制电路板、加速度电路板、II#电路固定板、减震垫、电路板支柱和上端盖组成；
信号接收天线与天线固定板通过螺纹连接，与上端盖通过Y型密封圈密封；压紧螺母与上端盖通过螺纹连接；垫圈与压紧螺母配合压紧Y型密封圈；天线固定板与固定板通过螺钉连接；阅读器与天线固定板通过螺钉连接；功率电阻与天线固定板通过螺钉连接；扫频电路板与I#电路固定板通过螺钉连接；I#电路固定板与电路板支柱通过螺钉连接，I#电路固定板通过减震垫减震；垫块与电池安装套管通过螺钉连接；固定板与垫块通过螺钉连接；加速度传感器与II#电路固定板通过螺钉连接；低通滤波电阻与II#电路固定板通过螺钉连接；电机控制电路板与天线固定板通过螺钉连接；加速度电路板与II#电路固定板通过螺钉连接；II#电路固定板与电路板支柱通过螺钉连接，II#电路固定板通过减震垫减震；上端盖与电池安装套管通过螺纹连接，通过密封圈密封，上端盖的下端面与固定板的上端面接触；上端盖的大端面设置有4个弧形缺口。
振动发生组件由高温直线电机、直线电机安装套管、下端盖、联轴器、上撞击板、下撞击板、限位块和复位弹簧组成；
高温直线电机安装于直线电机安装套管内部，且与直线电机安装套管通过螺钉连接；直线电机安装套管与外套管通过螺钉连接，且与下端盖通过螺纹连接，通过密封圈密封；下端盖的轴肩与直线电机安装套管的下端面接触，下端盖的下端与外套管的轴肩接触；联轴器的上端与直线电机通过销钉连接；上撞击板与联轴器通过销钉连接；下撞击板的中心孔与下端盖的中心轴配合连接，且与复位弹簧的上端接触；限位块与下端盖的中心轴通过螺钉连接；复位弹簧套于下端盖的中心轴上；电机安装套管和下端盖的大端面设置有4个弧形缺口。
耐高温电池对控制组件和振动发生组件中的高温直线电机供电。
控制组件、电池安装套管和振动发生组件分别与外套管之间形成环形空腔，弧形缺口与环形空腔构成水泥浆的流动通道。
基于RFID控制的直线电机振动固井装置的固井方法，包括以下步骤：
步骤1：将直线电机振动固井装置下入到预定位置；
步骤2：在地面井口投入信号发生球，信号发生球在下落过程中不断发射微波信号，当信号发生球下入到上接头内部时，信号接收天线接收到微波信号并将其传输给阅读器，阅读器处于休眠状态，接受到微波信号后被激活，阅读器进入工作状态；
步骤3：电机控制电路板开始工作，耐高温电池中的对控制组件和振动发生组件中的高温直线电机开始供电；
步骤4：振动发生组件中的高温直线电机通电后开始往复运动，上撞击板通过联轴器与直线电机输出轴固定连接，上撞击板在高温直线电机的带动下往复冲击下撞击板，下撞击板克服复位弹簧的阻力冲击电机安装套管；
步骤5：下撞击板冲击电机安装套管后，受到反弹力和复位弹簧的弹力回到初始位置再次受到上撞击板的冲击，形成周期冲击频率；下撞击板反弹与限位块的下底面接触，限位块阻碍下撞击板继续运动，下撞击板继续受到上撞击板冲击；电机安装套管与外套管的轴肩相接触，外套管受到冲击产生轴向振动波；轴向振动波在提高水泥浆的流动性的同时提高了水泥浆的致密性和均匀性，从而保证界面胶结强度和固井质量；
步骤6：加速度传感器检测振动产生的加速度，加速度电路板测试该振动固井装置的振动幅值；通过算法分析，扫频电路板在扫频范围内寻找最佳振动频率，电机控制电路板控制耐高温直线电机在最佳振动频率点持续工作。
本发明的有益效果在于：
本发明的基于RFID控制的直线电机振动固井装置的固井方法，实现了水泥浆在候凝阶段的扫频振动，能够自动寻找最佳的振动频率，提高振动波的传播距离。该方法还提高了水泥浆在水平井的流动性，同时为水泥浆在候凝阶段时提供最佳频率振动，提高水泥浆的致密性和均匀性，保证界面胶结强度和固井质量。该装置操作方法简单，加工成本低，降低了工程成本。
附图说明
图1是基于RFID控制的直线电机振动固井装置的结构示意图；
图中：1-上接头、2-信号发生球、3-密封圈、4-控制组件、5-耐高温电池、6-电池安装套管、7-外套管、8-振动发生组件、9-下接头；
图2信号发生球的结构示意图；
图中：201-环氧树脂基体、202-微型电路板、203-信号发生天线、204-耐高温纽扣电池；
图3是控制组件的结构示意图；
图中：401-信号接收天线、402-压紧螺母、403-垫圈、404-Y型密封圈、405-天线固定板、406-阅读器、407-密封圈、408-功率电阻、409-扫频电路板、410-I#电路固定板、411-垫块、412-固定板、413-加速度传感器、414-低通滤波电阻、415-电机控制电路板、416-加速度电路板、417-II#电路固定板、418-减震垫、419-电路板支柱、420-上端盖；
图4是振动发生组件的结构示意图；
图中：801-高温直线电机、802-直线电机安装套管、803-下端盖、804-联轴器、805-上撞击板、806-下撞击板、807-限位块、808-复位弹簧。
具体实施方式
本发明提出基于RFID控制的直线电机振动固井装置及固井方法，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
图1所示是基于RFID控制的直线电机振动固井装置的结构示意图。该基于RFID控制的直线电机振动固井装置包括：上接头1、信号发生球2、密封圈3、控制组件4、耐高温电池5、电池安装套管6、外套管7、振动发生组件8和下接头9。基于RFID控制的直线电机振动固井装置的使用方法为：将RFID控制的直线电机振动固井装置下入到油气井内预设位置，在井口向套管柱内部投入信号发生球2，激活控制组件4，控制组件4控制直线电机801工作，使得振动发生组件8工作产生高频振动。
图2所示是信号发生球结构示意图。该信号发生球包括：环氧树脂基体201、微型电路板202、信号发生天线203和耐高温纽扣电池204；环氧树脂201把上述元器件包裹成球体；微型电路板202用于控制信号发生天线203的工作状态；信号发生天线203用于持续发射微波信号；耐高温纽扣电池204为微型电路板202提供电能。
图3所示是控制组件的结构示意图。该控制组件包括：信号接收天线401、压紧螺母402、垫圈403、Y型密封圈404、天线固定板405、阅读器406、密封圈407、功率电阻408、扫频电路板409、I#电路固定板410、垫块411、固定板412、加速度传感器413、低通滤波电阻414、电机控制电路板415、加速度电路板416、II#电路固定板417、减震垫418、电路板支柱419和上端盖420；信号接收天线401与天线固定板405通过螺纹连接，与上端盖420通过Y型密封圈404密封；压紧螺母402与上端盖420通过螺纹连接；垫圈403与压紧螺母402配合压紧Y型密封圈404；天线固定板405与固定板412通过螺钉连接；阅读器406与天线固定板405通过螺钉连接；功率电阻708与天线固定板405通过螺钉连接；扫频电路板409与I#电路固定板410通过螺钉连接；I#电路固定板410与电路板支柱419通过螺钉连接，通过减震垫418减震；垫块411与电池安装套管6通过螺钉连接；固定板412与垫块411通过螺钉连接；加速度传感器413与II#电路固定板417通过螺钉连接；低通滤波电阻414与II#电路固定板417通过螺钉连接；电机控制电路板415与天线固定板405通过螺钉连接；加速度电路板416与II#电路固定板417通过螺钉连接；II#电路固定板417与电路板支柱419通过螺钉连接，通过减震垫418减震；上端盖420与电池安装套管6通过螺纹连接，通过密封圈3密封，上端盖420下端面与固定板412上端面接触。
图4所示是振动发生组件的结构示意图。该振动发生组件包括：直线电机801、直线电机安装套管802、下端盖803、联轴器804、上撞击板805、下撞击板806、限位块807和复位弹簧808组成；直线电机801安装于直线电机安装套管802内部，且与直线电机安装套管802通过螺钉连接；直线电机安装套管802与外套管7通过螺钉连接，且与下端盖803通过螺纹连接，通过密封圈3密封；下端盖803轴肩与直线电机安装套管802接触，下端与外套管7接触；联轴器804上端与直线电机801通过销钉连接；上撞击板805与联轴器804通过销钉连接；下撞击板806与复位弹簧808上端接触；限位块807与下端盖803通过销钉连接；复位弹簧807套于下端盖803中心轴上。
上端盖420、电机安装套管802和下端盖803大端面设置有4个弧形缺口，弧形缺口与环形空腔构成水泥浆的流动通道。
实施例：
基于RFID控制的直线电机振动固井装置的固井方法，应用于石油钻井过程中的振动固井阶段，首先将RFID控制的直线电机振动固井装置下入到油气井内的预定位置，在井口投入一定数量的信号发生球2，信号发生球2在下落过程中不断向周围发射微波信号，当信号发生球2下入到上接头1内部时，信号接收天线401接收到微波信号并将其传输给阅读器406，阅读器406处于休眠状态，接受到微波信号后被激活，阅读器406进入工作状态；电机控制电路板415开始工作，通过耐高温电池5中的对控制组件4和振动发生组件8中的直线电机801开始供电。直线电机801通电后开始往复运动，上撞击板805受直线电机801带动开始不断冲击下撞击板806，下撞击板806克服复位弹簧807的阻力冲击电机安装套管802，下撞击板806撞击到电机安装套管802后，受到反弹力和复位弹簧808弹力回到初始位置再次受到上撞击板805的冲击，形成一定周期的撞击频率。电机安装套管802与外套管7的轴肩相接触，外套管7受到撞击产生轴向振动波。加速度传感器413检测振动产生的加速度，加速度电路板416测试该振动固井装置的振动幅值。通过算法分析，扫频电路板409在扫频范围内寻找最佳振动频率，电机控制电路板415控制耐高温直线电机5在最佳振动频率点持续工作。该方法实现了水泥浆在候凝阶段的扫频振动，能够自动寻找最佳的振动频率，提高振动波的传播距离。该方法提高了水泥浆在水平井的流动性，同时为水泥浆在侯凝阶段时提供最佳频率振动，提高水泥浆的致密性和均匀性，保证界面胶结强度和固井质量。
此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.基于RFID控制的直线电机振动固井装置，其特征在于：包括上接头(1)、信号发生球(2)、密封圈(3)、控制组件(4)、耐高温电池(5)、电池安装套管(6)、外套管(7)、振动发生组件(8)和下接头(9)；
上接头(1)与外套管(7)通过螺纹连接，且通过密封圈(3)密封；控制组件(4)的上端与上接头(1)的下底面接触；耐高温电池(5)放置于电池安装套管(6)的内部，且耐高温电池(5)的上端与控制组件(4)的下端面接触，耐高温电池(5)的下端与振动发生组件(8)的上端面接触；电池安装套管(6)的上端与控制组件(4)通过螺纹连接，电池安装套管(6)的下端与振动发生组件(8)通过螺纹连接；振动发生组件(8)与外套管(7)通过螺钉固定连接，且振动发生组件(8)的下端与外套管(7)轴肩接触；下接头(9)与外套管(7)通过螺纹连接，且通过密封圈(3)密封；
所述控制组件(4)由信号接收天线(401)、压紧螺母(402)、垫圈(403)、Y型密封圈(404)、天线固定板(405)、阅读器(406)、密封圈(407)、功率电阻(408)、扫频电路板(409)、I#电路固定板(410)、垫块(411)、固定板(412)、加速度传感器(413)、低通滤波电阻(414)、电机控制电路板(415)、加速度电路板(416)、II#电路固定板(417)、减震垫(418)、电路板支柱(419)和上端盖(420)组成；
信号接收天线(401)与天线固定板(405)通过螺纹连接，与上端盖(420)通过Y型密封圈(404)密封；压紧螺母(402)与上端盖(420)通过螺纹连接；垫圈(403)与压紧螺母(402)配合压紧Y型密封圈(404)；天线固定板(405)与固定板(412)通过螺钉连接；阅读器(406)与天线固定板(405)通过螺钉连接；功率电阻(408)与天线固定板(405)通过螺钉连接；扫频电路板(409)与I#电路固定板(410)通过螺钉连接；I#电路固定板(410)与电路板支柱(419)通过螺钉连接，I#电路固定板(410)通过减震垫(418)减震；垫块(411)与电池安装套管(6)通过螺钉连接；固定板(412)与垫块(411)通过螺钉连接；加速度传感器(413)与II#电路固定板(417)通过螺钉连接；低通滤波电阻(414)与II#电路固定板(417)通过螺钉连接；电机控制电路板(415)与天线固定板(405)通过螺钉连接；加速度电路板(416)与II#电路固定板(417)通过螺钉连接；II#电路固定板(417)与电路板支柱(419)通过螺钉连接，II#电路固定板(417)通过减震垫(418)减震；上端盖(420)与电池安装套管(6)通过螺纹连接，通过密封圈(3)密封，上端盖(420)的下端面与固定板(412)的上端面接触；上端盖(420)的大端面设置有4个弧形缺口。
2.根据权利要求1所述的基于RFID控制的直线电机振动固井装置，其特征在于：所述信号发生球(2)由环氧树脂基体(201)、微型电路板(202)、信号发生天线(203)和耐高温纽扣电池(204)组成；环氧树脂基体(201)把微型电路板(202)、信号发生天线(203)和耐高温纽扣电池(204)包裹成球体；微型电路板(202)用于控制信号发生天线(203)的工作状态，信号发生天线(203)用于持续发射微波信号，耐高温纽扣电池(204)为微型电路板(202)提供电能。
3.根据权利要求1所述的基于RFID控制的直线电机振动固井装置，其特征在于：所述振动发生组件(8)由高温直线电机(801)、直线电机安装套管(802)、下端盖(803)、联轴器(804)、上撞击板(805)、下撞击板(806)、限位块(807)和复位弹簧(808)组成；
高温直线电机(801)安装于直线电机安装套管(802)内部，且与直线电机安装套管(802)通过螺钉连接；直线电机安装套管(802)与外套管(7)通过螺钉连接，且与下端盖(803)通过螺纹连接，通过密封圈(3)密封；下端盖(803)的轴肩与直线电机安装套管(802)的下端面接触，下端盖(803)的下端与外套管(7)的轴肩接触；联轴器(804)的上端与高温直线电机(801)通过销钉连接；上撞击板(805)与联轴器(804)通过销钉连接；下撞击板(806)的中心孔与下端盖(803)的中心轴配合连接，且与复位弹簧(808)的上端接触；限位块(807)与下端盖(803)的中心轴通过螺钉连接；复位弹簧(808)套于下端盖(803)的中心轴上；电机安装套管(802)和下端盖(803)的大端面设置有4个弧形缺口。
4.根据权利要求1所述的基于RFID控制的直线电机振动固井装置，其特征在于：所述耐高温电池(5)对控制组件(4)和振动发生组件(8)中的高温直线电机(801)供电。
5.根据权利要求1或3所述的基于RFID控制的直线电机振动固井装置，其特征在于：所述控制组件(4)、电池安装套管(6)和振动发生组件(8)分别与外套管(7)之间形成环形空腔，弧形缺口与环形空腔构成水泥浆的流动通道。
6.一种权利要求1所述基于RFID控制的直线电机振动固井装置的固井方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将直线电机振动固井装置下入到预定位置；
步骤2：在地面井口投入信号发生球(2)，信号发生球(2)在下落过程中不断发射微波信号，当信号发生球(2)下入到上接头(1)内部时，信号接收天线(401)接收到微波信号并将其传输给阅读器(406)，阅读器(406)处于休眠状态，接受到微波信号后被激活，阅读器(406)进入工作状态；
步骤3：电机控制电路板(415)开始工作，耐高温电池(5)中的对控制组件(4)和振动发生组件(8)中的高温直线电机(801)开始供电；
步骤4：振动发生组件(8)中的高温直线电机(801)通电后开始往复运动，上撞击板(805)通过联轴器(804)与高温直线电机(801)输出轴固定连接，上撞击板(805)在高温直线电机(801)的带动下往复冲击下撞击板(806)，下撞击板(806)克服复位弹簧(808)的阻力冲击电机安装套管(802)；
步骤5：下撞击板(806)冲击电机安装套管(802)后，受到反弹力和复位弹簧(808)的弹力回到初始位置再次受到上撞击板(805)的冲击，形成周期冲击频率；下撞击板(806)反弹与限位块(807)的下底面接触，限位块(807)阻碍下撞击板(806)继续运动，下撞击板(806)继续受到上撞击板(805)冲击；电机安装套管(802)与外套管(7)的轴肩相接触，外套管(7)受到冲击产生轴向振动波；轴向振动波在提高水泥浆的流动性的同时提高了水泥浆的致密性和均匀性，从而保证界面胶结强度和固井质量；
步骤6：加速度传感器(413)检测振动产生的加速度，加速度电路板(416)测试该振动固井装置的振动幅值；通过算法分析，扫频电路板(409)在扫频范围内寻找最佳振动频率，电机控制电路板(415)控制高温直线电机(801)在最佳振动频率点持续工作。
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